BIM技術(shù)在長株潭城際軌道交通西環(huán)線工程總承包項目中的應(yīng)用*

王 山，何承錦，胡炫宇，孫敏璇，彭定蓀

(湖南省第三工程有限公司，湖南 湘潭 411101)

0 引言

近年來，隨著信息化技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展、普及應(yīng)用，社會已進(jìn)入高速發(fā)展的信息化時代。建筑領(lǐng)域信息化技術(shù)發(fā)展不斷推動著建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，也改變著施工總承包企業(yè)傳統(tǒng)的管理理念、管理方法和管理手段?；谝苿?G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM技術(shù)融合發(fā)展的施工現(xiàn)場管理技術(shù)是指利用BIM技術(shù)所具備的三維可視化、協(xié)調(diào)性、虛擬模擬性、可優(yōu)化性、參數(shù)化、數(shù)據(jù)化等特性，并借助移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)施工現(xiàn)場協(xié)同管理、施工現(xiàn)場信息高效傳遞和實時共享。在提高項目施工管理水平、生產(chǎn)效率，節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮了重要作用。

本文通過研究長株潭城際軌道交通西環(huán)線工程總承包項目兩站一區(qū)間和車輛基地建設(shè)過程中BIM技術(shù)運用，探索BIM技術(shù)在軌道交通工程EPC項目中的應(yīng)用經(jīng)驗。

1 工程概況

長株潭城際軌道交通西環(huán)線是1條連接湖南省長沙市岳麓區(qū)與湘潭市雨湖區(qū)，服務(wù)于長株潭城市群的城際軌道交通線路。一期工程始于湘潭北站，主要沿潭州大道進(jìn)行敷設(shè)，止于山塘站(不含)，全線呈南北走向。線路全長約17.21km，其中地下段長6.72km，高架線長9.49km，過渡段長0.6km，路基段長0.4km。共設(shè)車站8座，其中地下站4座，高架站4座，設(shè)九華車輛基地1座。工程采用工程總承包建設(shè)，標(biāo)段含5站6區(qū)間，1個車輛段、1個主變電站，總造價26億元。

2 項目重難點分析

1)采用工程總承包管理模式，設(shè)計、勘察、采購、施工階段協(xié)調(diào)要求高。工程線路長、體量大、專業(yè)多、交叉施工多、環(huán)境復(fù)雜，對項目管理能力要求高。車站及高架區(qū)間橋梁長1km，車輛基地工作內(nèi)容包含運用庫、綜合公寓樓、混電所、污水處理站等，總建筑面積約為34 700m2。

2)高架區(qū)間及車站沿潭州大道敷設(shè)，多處與市政給排水、燃?xì)夤芫€干擾，并與潭州大道快改項目同時施工。潭州大道往來車輛速度快、密度大，管線改遷和交通導(dǎo)行實施難度大，交通組織和施工協(xié)調(diào)工作量大，工期風(fēng)險大。

3)施工場地狹小，工期緊張，同時分包隊伍多，交叉穿插作業(yè)多。工程涉及深基坑開挖、高支模、高大模板等，危大工程安全風(fēng)險源多，現(xiàn)場安全文明施工管理是重難點之一。

4)九華車輛基地地勢復(fù)雜，地形以山地為主，周圍水系、高程、邊坡交錯，能利用的場地建設(shè)條件少，土方施工量多、難度大，填挖超過100余萬m3。在安全施工前提下合理的土方平衡施工、運輸路線設(shè)計、場地建設(shè)等是重難點之一。

5)涉及市政道路、軌道交通、給排水、工業(yè)廠房、房建、鋼結(jié)構(gòu)、園林綠化等眾多專業(yè)，成本管控難度大。

3 項目BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

3.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

BIM技術(shù)在本項目的應(yīng)用主要在招投標(biāo)、設(shè)計及施工全過程，主要運用目標(biāo)為通過BIM運用，探索BIM技術(shù)在軌道交通工程EPC項目中的運用方法，并建立1套較為完整的軌道交通工程EPC項目BIM技術(shù)應(yīng)用體系。

3.2 實施方案

招標(biāo)文件對BIM技術(shù)運用提出了要求，在招投標(biāo)階段制定了完整的BIM技術(shù)實施方案。為解決技術(shù)難點，在投標(biāo)、設(shè)計勘察、施工等階段運用BIM技術(shù)，并制定了相關(guān)工作標(biāo)準(zhǔn)和實施方案。

3.3 團(tuán)隊組織

項目成立了BIM工作站，派駐了各專業(yè)BIM技術(shù)優(yōu)秀人才形成BIM工作團(tuán)隊，土建、結(jié)構(gòu)、市政、機(jī)電、鋼構(gòu)、技術(shù)、商務(wù)、動漫等專業(yè)BIM技術(shù)工程師共8人，其中高級工程師2人、工程師3人，一級、二級建模師3人。

3.4 BIM技術(shù)應(yīng)用軟硬件

1)搭建基于BIM技術(shù)+GIS+IoT數(shù)據(jù)的項目協(xié)同管理平臺，集成BIM 5D管理平臺、質(zhì)量安全管理、智慧工地管理、集中采購、商務(wù)成控等平臺，實現(xiàn)BIM模型數(shù)據(jù)與其他平臺數(shù)據(jù)實時交互與共享。

2)應(yīng)用的主要BIM軟件如表1所示。BIM管理平臺集成各類軟件，對不同單項工程統(tǒng)一建模，實現(xiàn)BIM模型數(shù)據(jù)共享。

表1 軟件配置

3)BIM工作站針對BIM工作開展需要配置了多臺臺式和筆記本計算機(jī)、無人機(jī)和GPS測繪設(shè)備等硬件。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

4.1 BIM技術(shù)在招投標(biāo)階段的應(yīng)用

1)項目招投標(biāo)階段，根據(jù)招標(biāo)文件BIM技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)要求編制了BIM技術(shù)實施方案。重點對施工環(huán)境調(diào)查、設(shè)計與施工方案模型建立、總圖布置及臨建設(shè)計、仿真效果等方面進(jìn)行了BIM應(yīng)用。

2)施工環(huán)境調(diào)查 借助無人機(jī)，通過傾斜攝影方式，獲取施工沿線及周邊環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)和地形測繪，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，處理后軟件可輸出稠密點云或生成三維模型，從而對設(shè)計方案的合理性及方案潛在風(fēng)險做出評估，再基于高精度的實景點云模型進(jìn)行BIM設(shè)計。車輛基地?zé)o人機(jī)傾斜攝影如圖1所示。

圖1 車輛基地?zé)o人機(jī)傾斜攝影

3)設(shè)計與施工方案模型建立 在投標(biāo)階段，根據(jù)初步設(shè)計圖紙并結(jié)合施工環(huán)境調(diào)查，建立重要的專業(yè)工程及危大工程模型。建立模型后，便于技術(shù)人員制定相應(yīng)的施工方案及具體質(zhì)量安全保證措施。同時，商務(wù)預(yù)算人員可根據(jù)模型進(jìn)行工程量核對。

4)總圖布置及臨建設(shè)計 在投標(biāo)階段，應(yīng)用BIM技術(shù)在三維環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)總圖布置，對橋梁預(yù)制加工場、施工區(qū)的材料堆放、加工區(qū)、臨時便道、圍擋等臨時設(shè)施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化布置，分析其位置的合理性，最終形成可視的三維布置方案，有利于項目的臨建及現(xiàn)場安全文明標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)，如圖2所示。

圖2 總圖布置

5)仿真效果展示 利用3D Max，Lumion等三維軟件制作虛擬環(huán)境下的漫游動畫，以動態(tài)交互的方式便于人們對未來建筑物進(jìn)行觀察與體驗。

4.2 BIM技術(shù)在勘察設(shè)計及施工階段的運用

1)圖紙會審 施工準(zhǔn)備階段，利用3D Max，Infraworks等軟件創(chuàng)建車站、橋梁等一系列模型。審查設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題，及時將審查情況書面報告建設(shè)單位和設(shè)計院，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。避免后期因圖紙問題帶來停工及返工，提高了項目管理效率。

2)地質(zhì)分析與施工優(yōu)化 充分利用鉆孔資料、地質(zhì)剖面圖、鉆孔柱狀圖、地形圖、物探數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)和資料，應(yīng)用BIM建模形成新的圖形化與可視化的三維地質(zhì)模型(見圖3)。然后分析、處理、組織和描述勘測地質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)地質(zhì)模型分析選擇經(jīng)濟(jì)合理、工效高的施工方案。黃家灣站樁基及BH10～BH30號墩樁基原施工方案計劃采用沖孔灌注樁。通過三維地質(zhì)模型分析，新施工方案改為旋挖鉆，提高了工效，縮短了工期。

圖3 地質(zhì)模型土層示意

3)BIM+無人機(jī)傾斜攝影土方測繪與計量 施工過程中，項目人員可通過無人機(jī)對項目現(xiàn)場進(jìn)行整體測繪，采集項目數(shù)據(jù)，形成三維點云模型，與BIM制成的完成面模型進(jìn)行比對，可得到土方開挖回填的工程量，可基于這些數(shù)據(jù)和模型對比，得出減少運輸距離和倒運方量的土方平衡方案(見圖4)，從而有效縮短工期并提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 生成土方挖填平衡數(shù)量

4)管線改遷 本工程兩站一區(qū)間走向沿已有潭州大道布置，根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查和物探等多種手段，樁基施工與潭州大道多道城市給排水、燃?xì)饧肮芫€位置沖突。利用BIM技術(shù)建立地下管線綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對地下管線的信息分類，三維模擬和碰撞檢查功能可對地下管線與橋梁基礎(chǔ)碰撞問題進(jìn)行分析，提出管線遷改設(shè)計方案。車站位置管線模型如圖5所示。

圖5 車站位置管線模型

5)交通導(dǎo)行方案 高架區(qū)間及車站均位于潭州大道上，并與潭州大道快改同時施工，且潭州大道往來車輛速度快、車流量大，交通組織不當(dāng)將造成潭州大道擁堵，給施工帶來困難。利用BIM技術(shù)建立交通導(dǎo)行模型和漫游視頻，布置各階段的圍擋倒邊、交通標(biāo)志標(biāo)牌等，對各階段的交通組織進(jìn)行漫游視頻匯報和交底，便于各級部門和項目部的直觀了解和組織。

6)施工進(jìn)度模擬 利用Navisworks等軟件進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，通過動畫的方式表現(xiàn)進(jìn)度安排情況，對現(xiàn)有施工進(jìn)度方案進(jìn)行可視化調(diào)整，對各分部分項工程進(jìn)度有效管控，優(yōu)化施工組織，并生成優(yōu)化后的進(jìn)度計劃。合理安排人、材、機(jī)需求計劃，縮短工期，提高管理效率?，F(xiàn)場定期采用無人機(jī)航拍，進(jìn)行實景進(jìn)度控制。

7)工序交底可視化 對于施工難度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的節(jié)點進(jìn)行局部模型深化，將施工工藝流程導(dǎo)入模型中，利用Flash等軟件制作施工工藝流程視頻，對現(xiàn)場進(jìn)行可視化交底，提高施工質(zhì)量。本工程橋梁和車站樁基鋼筋籠吊裝采用可視化交底，獲得了較好的效果。

8)施工方案可視化 采用命令流的形式進(jìn)行參數(shù)化建模，便于后期量產(chǎn)數(shù)值模型，并考慮桿件步距、間距，鋼管尺寸，豎向剪刀撐，水平剪刀撐等因素對支撐體系承載力的影響。通過模型分析，對橋梁現(xiàn)澆段支架系統(tǒng)進(jìn)行施工方案比選，選取最佳橋梁支架施工方案。

9)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計 施工過程中，利用BIM技術(shù)建立模型，對車站橢圓形鋼結(jié)構(gòu)屋頂進(jìn)行結(jié)構(gòu)和節(jié)點深化設(shè)計。通過改進(jìn)工藝等措施，節(jié)約了材料，減少了材料損耗。

10)基于BIM技術(shù)的項目多方協(xié)同管理 運用 BIM 技術(shù)和云平臺對項目質(zhì)量、安全、資料、合同、進(jìn)度、大宗材料集中采購等進(jìn)行多方協(xié)同管理。安全管理平臺實現(xiàn)風(fēng)險分級管控與隱患排查治理?；贐IM技術(shù)的大數(shù)據(jù)智能分析質(zhì)量管理系統(tǒng)，決策快速高效，有據(jù)可依，實現(xiàn)企業(yè)質(zhì)量、項目管理質(zhì)量管理規(guī)范化，大幅提高現(xiàn)場工作效率。利用互聯(lián)網(wǎng)移動APP終端和二維碼隨時在手機(jī)端查詢各種信息，數(shù)據(jù)真實及時，實現(xiàn)過程可預(yù)警、結(jié)果可分析，確保管理制度落地，在施工過程中做到質(zhì)量安全管理閉環(huán)，保證所有問題能落實整改并有追溯性。

11)商務(wù)成控管理 商務(wù)工程師利用BIM軟件建立模型，通過BIM模型提取混凝土、模板、鋼筋等工程量，與現(xiàn)場物資材料部門實際材料比對分析，降低材料損耗。利用BIM模型預(yù)估產(chǎn)值、成本歸集、成本分析、成本對比，對項目成本實行動態(tài)管理。

12)BIM+VR+安全教育 基于施工現(xiàn)場 BIM 模型構(gòu)件，通過現(xiàn)場 BIM 模型和虛擬危險源的結(jié)合，使體驗者可走進(jìn)真實的虛擬現(xiàn)實場景中(見圖6)，通過沉浸式和互動式體驗使體驗者得到更深刻的安全意識教育，以提升全員安全生產(chǎn)意識水平。

圖6 VR體驗與VR內(nèi)部展示畫面

5 基于移動5G+BIM技術(shù)的綠色智慧建造技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)、移動5G、大數(shù)據(jù)、無人機(jī)、BIM技術(shù)、云平臺搭建的綠色智慧建造模塊化平臺，對人、機(jī)、料、法、環(huán)集成管控，通過互聯(lián)網(wǎng)及手機(jī)端使施工現(xiàn)場管理更加高效及便捷。

5.1 施工節(jié)能節(jié)水綠色智慧技術(shù)

通過智能電表、水表實現(xiàn)用電、用水智能管理。智能電表和智能水表自動采集用電量和用水量，利用內(nèi)置IC卡和移動5G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳至綠色智慧建造工地管理平臺節(jié)能模塊后臺。通過后臺自動數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，形成工地各辦公、生活、施工用電電能和用水分布圖，各區(qū)電能和用水損耗分布圖等，發(fā)現(xiàn)用電、用水異常數(shù)據(jù)，及時安排專人處理。通過數(shù)據(jù)分析，制定相應(yīng)的節(jié)水、節(jié)能措施。

5.2 綠色施工節(jié)地、節(jié)材智慧技術(shù)

利用BIM技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場情況和企業(yè)CI標(biāo)準(zhǔn)族庫建立施工場地三維場地模型布置，直觀地起到對布置的指導(dǎo)作用，避免因布置不合理占用和浪費土地資源。利用BIM技術(shù)建立分階段模型，對施工場地、臨建、交通導(dǎo)行等根據(jù)施工進(jìn)度實行動態(tài)調(diào)整。合理利用土地資源，最大限度地減少對周邊土地資源的破壞。

施工過程中，利用BIM技術(shù)對車站進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計、混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化、二次結(jié)構(gòu)砌體等自動排布和模型展示，通過改進(jìn)工藝等措施，節(jié)約材料，減少材料損耗。

6 效益分析

1)通過BIM技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，船形山站—黃家灣站區(qū)間橋梁樁基由原設(shè)計198根優(yōu)化為172根樁，并調(diào)整設(shè)計樁長，節(jié)約工程造價約208萬元。

2)使用無人機(jī)進(jìn)行土方算量，生成較精準(zhǔn)的土方挖填分布圖，重復(fù)利用原土方，使場內(nèi)土方平衡，節(jié)約工程造價約260萬元。

3)商務(wù)BIM算量結(jié)合5D數(shù)字化管理平臺，精確控制材料提取，使物料分配合理，避免鋼材存貨和損耗共約80t，節(jié)約工程儲存成本和投入約60萬元。

4)通過施工模擬對施工組織進(jìn)行優(yōu)化，保證進(jìn)度的同時又提高了工效。鋼結(jié)構(gòu)全過程BIM管理，預(yù)計縮短25%的工期；充分應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行工藝模擬及方案比選，有效提升了溝通和施工效率；BIM技術(shù)與施工測量的集成，大大降低控制測量的難度，提高施工精度與效率。

5)現(xiàn)場實時監(jiān)控結(jié)合無人機(jī)巡邏保證安全與質(zhì)量的同時，減少現(xiàn)場管理人員約50%巡查時間；通過可視化施工模擬及VR安全體驗，使現(xiàn)場操作人員熟悉掌握工藝工序，保證了質(zhì)量和安全，同時減少了5%的返工率。

6)基于移動5G+BIM技術(shù)智慧建造技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)約了各類資源的投入，減少了各類資源損耗和浪費，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

7)基于BIM技術(shù)的項目管理，進(jìn)一步提高了項目管理水平和管理能力，項目管理多次獲得各級部門及同行高度評價。

8)通過BIM技術(shù)實時應(yīng)用，現(xiàn)已培養(yǎng)5名專業(yè)BIM技術(shù)人才，為公司BIM應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

BIM技術(shù)在長株潭城際軌道交通西環(huán)線項目兩站一區(qū)間和車輛基地的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了項目管理精細(xì)化水平，同時，也在降本增效和綠色智慧建造施工中取得了良好效果。